模块化光学仪器在双缝干涉课程中的教学实践_许钰彬.pdf

第 35 卷第 6 期大学物理实验Vol35 No62022 年 12 月PHYSICAL EXPEIMENT OF COLLEGEDec2022收稿日期:2022-08-18基金项目:中央高校基本科研业务费项目华东师范大学人文社会科学学科交叉融合项目(2021JQH014)*通讯联系人文章编号:1007-2934(2022)06-0131-06模块化光学仪器在双缝干涉课程中的教学实践许钰彬1，何秀君2，潘卫清3，朱广天2*(1华南师范大学 物理与电信工程学院，广东 广州510006;2华东师范大学 教师教育学院，上海200062;3浙江科技学院 理学院，浙江 杭州310000)摘要:随着信息技术的发展，国内外科学教育与物理教育都日渐强调现代教育技术与教学的深度融合，激发教育创新。光学课程在物理教学中占有重要地位，是落实和培养学生核心素养的重要环节。设计将模拟仿真、模块化光学实验实境演示仪等现代教育技术融入光学物理教学，开发以 STEM 教育理念为引导的新型光学课程，有利于渗透光学课程中的科学本质观，有利于启迪学生的工程思维。关键词:模块化光学实验实境演示仪;物理光学课程设计;现代教育技术;物理实验教学实践中图分类号:G 642423文献标志码:ADOI:1014139/jcnkicn22-12282022060271研究背景探索近年来国际科学教育发展的趋势，不难发现国际科学教育的关注点包含了以下几个方面:提升学生的科学素养;鼓励教师在设计教学活动的过程中渗透科学本质;重视技术与教学的融合，不仅仅将信息技术作为学习的环境和工具，也应积极将技术作为教学内容本身，开发以 STEM教育理念为引导的跨学科实践课程1。美国国家研究理事会(National esearch Council)颁布的K-12 科学教育框架中提出的包含科学与工程实践、跨学科概念和学科核心概念的“三维性科学学习”2 也对科学教育目标带来新的启示:重视跨学科知识与实践的融合，掌握核心概念在工程中的运用。与国际形势类似，对我国在“十三五”期间的中小学学科教育教学研究热点进行分析，发现国内的学科教学研究专家聚焦于学科核心素养的落实，关注学生学习过程中的体验性和探究性，重视项目式学习，经历跨学科探索、通过合作交流提升解决实际问题的能力。提倡信息技术与教学深度融合，以学科特征为基础，编制符合我国中小学生实际情况的 STEM 教材，借助虚拟仿真、增强现实等技术开发符合学生认知的探究性课程3。教育部最新发布的义务教育物理课程标准(2022 年版)中再次强调落实立德树人的根本任务，发展素质教育，本次课程标准的修订坚持目标导向、问题导向和创新导向，强化课程的综合性与实践性，落实发展学生的核心素养4。分析国内外最新的科学与物理课程发展趋势，不难发现，信息技术助力物理教学、跨学科工程实践已成为热点话题，基于学科特征，将现代教育技术注入物理教学是落实学科核心素养、提升学生综合素质的强大推进力。光学的相关内容在大学和中学的物理教学中都有着重要地位，是培养学生的物理学科核心素养的重要一环。一方面，光是人类感官认识世界的主要途径，很多光学现象都贴近学生日常生活，可以有效地让学生了解自然现象中蕴含的物理规律;另一方面，光学又衔接了电磁学与量子力学的内容，是学生深入进行物理研究的基础。传统的光学实验理论知识抽象、调试难度大、操作时间长、测量精度要求高，学生很难在有限的学时内通过改变参数全面观察实验现象。同时，传统光学仪器对精度要求高，组装调试需要花费较多时间，对实验环境的苛刻要求也使得教师缺乏在课堂中进行光学实验演示的动力。本研究选定物理课程中的“光学”专题，设计将现代教育技术(包括模拟仿真 PhET、模块化光学实验演示仪器)融入光学物理课程，以 STEM 教育理念为引导，将光学核心知识与工程实践相结合，跨学科知识与技术助力物理教学，设计出符合学生认知规律、高质高效的光学物理课堂。通过问卷和访谈了解学生对融入信息技术的新型光学授课模式的接受度，希望可以从中获得启示，促进工程技术与光学课程的深度融合。2模块化光学实验实境演示仪介绍模块化光学实境演示仪以真实的光路为基础，利用 CCD 信号处理器，结合计算机编程技术，将真实的干涉、衍射条纹显示在计算机屏幕上。借助模块化光学实验实境演示仪器进行光学课程的教学，可以使实验现象清晰可视化，并具有一定交互作用，可以进行定量测量。模块仪器有效地提升了课堂效率，基于真实光路的实验结果也更符合科学本质的要求。其设计以 STEM 理念为引导，包含科学、技术、工程、数学等多个领域，将工程教育融入物理教学，从而提升学生的学习兴趣，培养学生解决实际问题的能力5。模块化光学实验实境演示仪的主要结构分为两大部分:连接计算机与各个光学模块的底座;各个光学模块。结构可以根据授课需求进行更换，包括:双缝干涉模块、等厚干涉模块、单缝/圆孔衍射模块、光栅衍射模块、马吕斯定律模块、布儒斯特角模块等。仪器的实物图和简图分别如图 1，2 所示。图 1模块化光学仪器实物图图 2模块光学仪器简图以“杨氏双缝干涉”模块为例，介绍模块的结构及其功能，如下图 3 所示。图 3杨氏双缝干涉模块结构简图231大学物理实验2022 年模块主要包含了 7 个重要的光学元件，进行实验时，打开激光发射器选择光源，三种色光均可通过二向色镜从单缝中射出。经过转盘上的双缝实现光的干涉，最终成像在 CCD 光屏上。干涉模块与底座相连，可以通过计算机发送指令，更改干涉的实验参数:可以更换不同颜色的激光发射器选择不同光源;可以给小马达发送指令使双缝转盘转动以选择不同间距的双缝;可以控制伸缩杆的长度改变接收屏与双缝之间的距离。杨氏双缝干涉模块的教师操作界面如图 4 所示，共分为五部分:实验原理、理论计算、实验装置实物图、交互操作页面、实验结果显示。激光发射器发射出不同颜色的激光，通过双缝形成干涉条纹。利用 CCD 信号处理器接受光信号，将光强度信号转化为图像灰度信号，在计算机上显示。结合软件编程技术，使用者可以在操作界面选择不同颜色的激光、双缝宽度、成像距离等，在实验结果界面实时观察干涉图样的变化。图 4杨氏双缝干涉模块操作页面3融合模块仪器的教学实践与学生反馈选定华东师范大学非物理专业的本科生为教学实践对象，选定 大学物理 中“双缝干涉”专题进行教学实践。教学过程在传统授课模式中融入了现代教育技术，包括模拟仿真和模块化光学实验实境演示仪的使用。首先，基于 HPS(History、Philosophy and Sociology of Science)教育理念，以光学发展的时间为线索，介绍光学发展史。借助PhET 线上互动模拟仿真观察“双缝干涉”现象，理解干涉定义。利用传统的讲授法，对双缝干涉中的重要概念、传统实验进行详细讲解。紧接着介绍模块化仪器，与传统杨氏双缝实验装置进行对比讲解，一方面加深学生对传统实验的理解，另一方面也使学生体会技术与物理的相互促进作用，提升工程思维。利用模块仪器进行探究活动，对干涉现象进行推理、预测、验证、定量测量等，将抽象的实验具体化、可视化。最后，对所学知识进行总结归纳，并利用模拟仿真进行巩固练习。具体教学过程如下图 5 所示。课程结束后，对授课班级的 45 名同学进行课程体验调查。通过问卷的方式主要调查两个方面的内容:(1)了解授课班级的同学在高中阶段的光学课程的授课模式;(2)了解授课班级的同学对三种课程模式(传统光学课程、模拟仿真光学课程、模块仪器光学课程)的主观体验和接受度高低。对 45 份有效问卷展开分析，在高中阶段学习过光学课程的同学共计 27 人，未学习过光学课程的同学共计 18 人，具体的学情分布如下表 1所示。331第 6 期许钰彬，等:模块化光学仪器在双缝干涉课程中的教学实践图 5融合现代教育技术的双缝干涉教学过程表 1授课班级的同学高中阶段的光学课程学情分布人数学情分布高中阶段未学习过光学课程18(1)上海:未选考物理，只参加合格考试(2)重庆、江苏、贵州等地:光学课程与热学课程 2 选 1，未选择光学课程高中阶段学习过光学课程27学习光学课程:同时学习过几何光学和物理光学对高中阶段学习过光学课程的 27 位同学的问卷展开调查，发现:大多数的高中物理课堂并未设置专门的实验课程，与实验相关的内容大多数以图片、视频的形式由教师进行展示，甚至很大一部分同学表示整个光学课程学习的过程完全没有任何与实验相关的内容呈现。只有一小部分同学(24 人)表示见过教师的演示实验，只有 2 位同学表示，曾经在光学实验室操作过光的干涉的实验。下表 2 是这 27 位同学关于几何光学实验和物理光学实验的呈现方式的具体情况。表 2高中物理光学实验的呈现方式实验呈现方式几何光学实验(人数)物理光学实验(人数)教师演示实验23(+1)学生操作实验02图片或视频展示相关实验10(+2)11(+3+1)无任何实验展示1511共计:27 人表 2 中，10(+2)表示在几何光学实验中，有 2人同时选择了教师演示实验+图片或视频展示实验;11(+3+1)表示在物理光学实验中，有 3 同时人选择了教师演示实验+图片或视频展示实验;有 1 人同时选择了教师演示实验+图片或视频展示实验+学生实验。通过调查，发现，无论是几何光学实验还是物理光学实验，在中学阶段的教学过程的重视度都非常低。高中阶段，教师降低对“光学实验”的重视度，存在一定的客观原因。传统的光学实验对实验环境要求苛刻，实验仪器的高精密度使调试难度大、操作时间长，实验现象观察困难等多方面的原因均使得教师缺乏在课堂中进行光学实验演示的动力。因此，借助现代教育技术，降低光学实验对环境的依赖，建设高效高质的新型光学课程意义重大。模拟仿真、模块化光学实验实境演示仪器将现代教育技术与物理光学课程进行结合，提升课堂效率的同时将工程元素注入物理教学。这符合当前国内外科学教育与物理教育的发展趋势，整合跨学科理念、工程实践与学科核心概念，形成具有时代特征的新型物理光学课程。紧接着测试了学生对该新型课堂模式的接受度。在采用模拟仿真与模块化光学实境仪器教学之后，也分别从“对知识理解的帮助程度”、“上课431大学物理实验2022 年效率高低”和“学生接受度/喜爱度”三个方面展开调查，了解学生在传统光学课程、模拟仿真光学课程、模块光学课程这三种不同的授课模式中的感受。学生选择的具体情况如下表 3 所示。表 3学生对新型课堂的接受度调查结果最有利于理解“光的干涉”的上课模式(人次)最高效的上课模式(人次)最喜欢的上课模式(人次)方式 1:模块化光学实验演示仪301829方式 2:模拟仿真实验演示192213方式 3:图片、视频实验演示273以上三种方式无差别103备注共计:52 人次(其中有 7 人同时选择了方式1 和方式 2)共计:47 人次(其中 2 人同时选择方式 1 和方式 2)共计:48 人次(其中 3 人同时选择方式 1 和方式 2)整体来看，同学们对模块化光学实验实境演示仪器的接受度较高，577%的同学认为配合使用模块化光学实验实境演示仪的物理课程会有助于理解“光的干涉”的相关知识;604%的同学最喜欢的上课模式是融入模块化光学实验演示仪的课程。而谈到“最高效”，选择模拟仿真实验的同学略高于选择模块化光学实验实境演示仪器的同学，分别占比为 468%和 383%，仅相差 4 人次。不难发现，同学们对融入了“模块化光学实验实境演示仪”和“模拟仿真”的新型光学物理课程的接受度较高，大多数同学认为融入了模块仪器的光学课程更有助于他们理解光的干涉的相关知识，也更好地提升了课堂效率。4结论与展望现代信息技术的突破行发展为很多领域带来深刻变革，教育研究者们也对信息技术与教学的融合予以深切的期盼6。将最新、最优的教学技术手段融入物理课堂是每一位物理研究者应当认真思考并付诸实践的重要方向。光学课程在物理学习的总章程中占有重要地位，光学实验在光学课程中的重要性首当其冲。光学实验在课堂上的展现方式是否成功，对学生理解光学知识、教师构建高效高质的物理课堂有着不可忽视的影响。传统光学实